"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Периодический закон связывает свойства химических элементов и их соединений с зарядом атомного ядра. Порядковый номер показывает заряд ядра, а в нейтральном атоме — ещё и число электронов. Они распределены по энергетическим уровням, и это строение отражается в положении элемента в периодической системе. Число занятых уровней помогает определить период, а число внешних электронов у элементов главных подгрупп — группу. Эти связи позволяют объяснить повторение свойств и предсказывать поведение элементов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Периодический закон — свойства химических элементов и образуемых ими веществ периодически зависят от заряда ядра атома. Иными словами, изменения свойств подчиняются закономерности, связанной с устройством атома, а не происходят случайно. Закон помогает объяснять, почему свойства элементов повторяются и как они связаны с положением элемента в таблице.
Периодическая система химических элементов — упорядоченное расположение элементов, отражающее периодическое изменение их свойств. Элементы в ней расположены по возрастанию порядкового номера, то есть заряда ядра. Таблица нужна, чтобы видеть закономерности и находить связь между местом элемента и его свойствами.
Электронная оболочка атома — совокупность электронов атома, распределённых по энергетическим уровням и подуровням. Уровни можно представить как области с разной энергией, а электроны занимают их не произвольно. Понятие оболочки позволяет описывать строение атома и объяснять, какие электроны участвуют в химических взаимодействиях.
Электронная конфигурация атома — запись распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням. Например, запись 2, 8, 2 показывает число электронов на каждом из трёх занятых уровней. По конфигурации можно определить число уровней и электронов внешнего уровня, а затем связать эти данные с положением элемента.
Порядковый номер элемента задаёт число положительных зарядов в ядре, потому что каждый протон несёт заряд +1. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов: противоположные заряды компенсируют друг друга. Поэтому порядковый номер помогает установить и заряд ядра, и число электронов нейтрального атома. У иона число электронов уже может отличаться от числа протонов, поскольку атом теряет или присоединяет электроны.
Электроны располагаются по энергетическим уровням, потому что в атоме существуют разрешённые состояния с разной энергией, а не любые возможные значения. Обычно сначала заполняются состояния с меньшей энергией, затем — с большей, поэтому электроны образуют определённую конфигурацию. Число занятых уровней соответствует номеру периода: элементы одного периода имеют одинаковое количество занятых уровней. Например, три заполненных уровня указывают на третий период.
У элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне связано с номером группы. Внешний уровень — самый удалённый из занятых; его электроны особенно важны, потому что именно они чаще всего участвуют в образовании химических связей. Если у атомов внешние уровни устроены сходно, то и способы взаимодействия с другими атомами во многом похожи. Поэтому по внешним электронам можно объяснить характерные химические свойства элементов.
В периоде заряд ядра с ростом порядкового номера увеличивается на единицу, а электроны последовательно добавляются в электронную оболочку. Из-за этого строение внешнего уровня меняется шаг за шагом, и свойства элементов изменяются постепенно. Когда начинается новый период, формирование внешнего уровня начинается заново, поэтому в таблице вновь появляются элементы с похожим характером внешнего строения. В группе внешнее строение атомов сходно, но число занятых уровней обычно возрастает сверху вниз, поэтому свойства не совпадают полностью.
Периодический закон объясняет, почему таблица устроена как последовательность периодов и групп. Периоды отражают изменение строения атомов при заполнении уровней, а группы объединяют элементы со сходным внешним строением и рядом общих свойств. Зная место элемента, можно сделать вывод о числе занятых уровней и, для главных подгрупп, о внешних электронах. А зная электронное строение, можно установить положение элемента и оценить его химическое поведение.
| Положение или характеристика | Что показывает | Связь со строением атома |
|---|---|---|
| Порядковый номер | Место элемента в последовательности | Равен заряду ядра и числу протонов; в нейтральном атоме равен числу электронов |
| Номер периода | Положение элемента в горизонтальном ряду | Связан с числом занятых энергетических уровней |
| Номер группы для элементов главных подгрупп | Положение элемента в вертикальном столбце | Связан с числом электронов на внешнем уровне |
| Число электронных уровней | Степень распределения оболочки по уровням | Соответствует номеру периода |
| Число электронов на внешнем уровне | Особенности внешней части оболочки | Для элементов главных подгрупп связано с номером группы и свойствами |
| Изменение свойств в периоде и группе | Направление изменения характеристик элементов | Обусловлено изменением заряда ядра и электронного строения |
Пользуйся таблицей как способом перехода от положения элемента к строению его атома и обратно. Сначала проверь порядковый номер и период, а связь номера группы с внешними электронами применяй только для элементов главных подгрупп. При объяснении свойств учитывай не только внешние электроны, но и заряд ядра, и число занятых уровней.
Задача 1. Определите число протонов и электронов в нейтральном атоме натрия с порядковым номером 11. Сначала нужно понять, какую информацию даёт порядковый номер, а затем учесть условие о нейтральности атома. Не следует путать порядковый номер с массовым числом: в этой задаче масса не требуется.
Ответ: в атоме натрия 11 протонов и 11 электронов.
Задача 2. По электронной конфигурации атома 2, 8, 2 определите номер периода и группы главной подгруппы. Числа в записи обозначают количество электронов на последовательных энергетических уровнях. Поэтому сначала определяем число занятых уровней, а затем рассматриваем самый внешний уровень.
Ответ: третий период, вторая группа главной подгруппы. Важно, что такой вывод о группе применим к элементам главных подгрупп, как и оговорено в условии.
Задача 3. Сравните строение атомов магния и кальция и объясните сходство их химических свойств и различие активности. У магния конфигурация уровней 2, 8, 2, а у кальция — 2, 8, 8, 2. Сравнивать нужно отдельно внешнее строение, связанное со сходством, и число уровней, которое меняется при движении вниз по группе.
Ответ: магний и кальций имеют по два внешних электрона и поэтому сходны по химическим свойствам; у кальция на один занятый уровень больше, что связано с изменением его активности в группе.
Ошибка: считать номер периода числом электронов. Её допускают, смешивая две характеристики, которые связаны с атомом, но показывают разное. Проверь себя: период указывает число занятых энергетических уровней, а общее число электронов нейтрального атома равно порядковому номеру.
Ошибка: приравнивать номер группы к числу всех электронов атома. Обычно так происходит, когда правило о внешнем уровне запоминают без ограничения. Проверка проста: связь номера группы с числом внешних электронов используют для элементов главных подгрупп, а не для подсчёта электронов всей оболочки.
Ошибка: путать порядковый номер с массовым числом. Массовое число связано с суммой протонов и нейтронов, а порядковый номер задаёт число протонов и заряд ядра. Чтобы проверить ответ, спроси себя, какую величину ищешь: заряд ядра определяет порядковый номер, а не масса атома.
Ошибка: объяснять периодичность только повторением числа электронов. Число электронов всего атома с ростом порядкового номера увеличивается, а периодически повторяются особенности строения внешнего уровня. Проверь объяснение: в нём должны учитываться и заряд ядра, и электронное строение атома, а не только одно число.
Для понимания темы нужно знать, из чего состоит атом, что означает заряд ядра и как электроны распределяются по энергетическим уровням. Особенно важно различать все электроны атома и электроны внешнего уровня. Связь положения элемента с его электронным строением понадобится при изучении химической связи, валентности и степеней окисления. Периодические закономерности также используют, чтобы объяснять и прогнозировать свойства элементов, простых веществ и соединений.
Почему порядковый номер элемента определяет число электронов в нейтральном атоме?
Порядковый номер равен числу протонов в ядре, то есть задаёт его положительный заряд. В нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов уравновешивает заряд ядра, поэтому электронов столько же, сколько протонов.
Как по электронной конфигурации определить номер периода?
Нужно посчитать, сколько энергетических уровней занято электронами. Это число соответствует номеру периода: например, конфигурация 2, 8, 2 показывает три занятых уровня и третий период.
Всегда ли номер группы показывает число электронов на внешнем уровне?
Нет. Такая связь применяется к элементам главных подгрупп, для которых число электронов внешнего уровня связано с номером группы. Для остальных групп нельзя определять внешние электроны только по номеру группы.
Почему элементы одной группы обладают сходными свойствами?
У элементов одной группы часто сходно устроен внешний электронный уровень. Именно внешние электроны в значительной степени участвуют в химических взаимодействиях, поэтому сходство их строения приводит к сходству свойств.
Как строение атома объясняет периодическое изменение свойств элементов?
При движении по периоду заряд ядра и число электронов увеличиваются, а электроны последовательно заполняют уровни и подуровни. Строение внешнего уровня меняется постепенно, а затем закономерно повторяется у элементов следующего периода. Поэтому свойства изменяются не случайно, а периодически.
§ 6. Периодический закон связан со строением атомов
